В представленной работе авторами была продемонстрирована компактная система голографической проекции, основанная на интеграции органического светоизлучающего диода (OLED) с фазовой голографической метаповерхностью. Данное исследование решает фундаментальную проблему применения OLED в голографии, связанную с их низкой пространственной когерентностью и широким спектром спонтанного излучения.
Исследуемый образец и экспериментальная методика
Для проведения исследования авторами был разработан и изготовлен высокоэффективный красный OLED по топ-эмиссионной схеме на кремниевой подложке, что обеспечило улучшенный теплоотвод и стабильную работу при высокой яркости. Полученное устройство продемонстрировало пик электролюминесценции на длине волны 664 нм с шириной спектра на полувысоте ~63 нм, достигая плотности тока до 64 А/см² и яркости до 3.2 × 10⁵ кд/м². Для количественной оценки пространственной когерентности был применен классический эксперимент Юнга с двумя щелями, который показал увеличение длины пространственной когерентности с ~130 мкм до ~170 мкм при изменении расстояния от OLED до метаповерхности от 3 см до 6 см.
Параллельно была разработана и изготовлена фазовая голографическая метаповерхность на основе цилиндрических наностолбиков диоксида циркония (ZrO₂), встроенных в полимерную матрицу ПММА (Рисунок 1a). Фазовый профиль метаповерхности рассчитывался с использованием модифицированного алгоритма Гершберга-Сакстона, а сами метаатомы моделировались в COMSOL Multiphysics. Процесс изготовления включал электронно-лучевую литографию и атомно-слоевое осаждение, что обеспечило высокий выход годных образцов (91%) и поляризационную независимость структуры.
Ключевым результатом работы стала успешная проекция голографического изображения при освещении метаповерхности OLED, расположенным на расстоянии 5 см. Исходно полученное изображение, хотя и было узнаваемым, проявляло признаки размытости и потери деталей, особенно в правой части кадра. Установка узкополосного интерференционного фильтра (FWHM = 10 нм) между OLED и метаповерхностью привела к значительному улучшению качества изображения — особенности стали четкими и хорошо различимыми по всему полю, с минимальным размером детали около 300 мкм.
Для систематического анализа влияния спектральной ширины на качество изображения авторы провели серию контрольных экспериментов с использованием перестраиваемого лазерного источника (SuperK, NKT photonics) с акустооптическим модулятором и перестраиваемым фильтром (SuperK SELECT, NKT photonics). Система применялась для иммитации различной спектральной ширины освещения (Рисунок 1f). Количественный анализ с использованием метрик PSNR, SSIM и MSE подтвердил, что сужение спектральной полосы приводит к значительному улучшению качества реконструкции. Дополнительным преимуществом использования OLED оказался низкий контраст спекл-шума (0.23 против 0.81 для лазерного источника), что связано с присущей OLED частичной пространственной некогерентностью.
Рисунок 1. a. Конструкция метаатома, где p = 300 нм, ta = 700 нм и tc = 180 нм. b. Фазовая модуляция как функция радиуса метаатома. Квадраты показывают дискретные значения фазы, выбранные для практической реализации. c. Целевое изображение. d. Реконструированное голографическое изображение. e. Спроектированный фазовый профиль. f. Голографические изображения, измеренные с использованием когерентного света на длинах волн 485, 532 и 660 нм. Изображения выглядят зеркально относительно конструкции, поскольку они проецируются на экран.
Исследование также показало четкую зависимость качества изображения от степени пространственной когерентности освещения, которая управлялась изменением расстояния между OLED и метаповерхностью. Увеличение этого расстояния с 3 см до 6 см, и соответствующее увеличение длины пространственной когерентности, приводило к заметному повышению резкости контуров проецируемого изображения (Рисунок 2).
Рисунок 2. OLED-дисплей располагался на разных расстояниях (вверху слева: 3 см, вверху справа: 5 см и внизу справа: 6 см) от метаповерхности.
Заключения
В заключении работы подчеркивается, что продемонстрированная компактная система OLED-метаповерхность открывает новые возможности для создания миниатюрных проекционных устройств. Предложены пути дальнейшей миниатюризации системы, включая интеграцию тонкопленочных или поляритонных фильтров непосредственно в структуру OLED или метаповерхности. Данная технология представляет значительный интерес для применений в компактных устройствах дополненной реальности, портативных голографических дисплеях и системах человеко-машинного взаимодействия, сочетая преимущества органической оптоэлектроники и передовой нанофотоники.
Компания INSCIENCE занимается поставкой решений в области фотоники и оптики. Оставить онлайн заявку можно здесь или по почте: info@inscience.ru
Текст подготовлен на основе работы: https://www.nature.com/articles/s41377-025-01912-z